JP3749873B2 - Magnetoresistive element, magnetic head, and magnetic reproducing apparatus - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の強磁性体では、電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象が知られており、これは「磁気抵抗効果」と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子は「磁気抵抗効果素子（以下、「ＭＲ素子」とも称する）」と呼ばれる。
【０００３】
このようなＭＲ素子は、産業的には、ハードディスクや磁気テープ等の磁気記録媒体を用いた磁気記録再生装置において、磁気記録媒体に記憶された情報の読み出しに利用されており（ＩＥＥＥ ＭＡＧ−７、１５０（１９７１）等参照）、そのような磁気ヘッドは「ＭＲヘッド」と呼ばれる。
【０００４】
ところで近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録再生装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められており、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束すなわち信号磁界の量がますます減少している。このため、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることができる高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子を作ることが、磁気媒体に書き込んだ情報の読み出しには必須となってきており、記録密度向上のための重要な基盤技術となっている。
【０００５】
ここで「高感度」とは、単位磁場（Ｏｅ）当たりの抵抗変化量（Ω）が大きいことを意味しており、より大きなＭＲ変化量を持ち、より軟磁気特性に優れているＭＲ素子ほど高感度になる。また、高Ｓ／Ｎ比を実現するためには、熱雑音をできるだけ低減することが重要となる。このため素子抵抗自体はあまり大きくなることは好ましくなく、ハードディスク用読み取りセンサーとして用いる場合、良好なＳ／Ｎ比を実現するためには、素子抵抗としては５Ω〜３０Ω程度の値とすることが望まれている。
【０００６】
このような背景のもと、現在ではハードディスクＭＲへッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるスピンバルブ（spin-valve）膜を用いることが一般化している。
【０００７】
図１３は、スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。すなわち、スピンバルブ膜１００は、強磁性層Ｆ、非磁性層Ｓ、強磁性層Ｐ及び反強磁性層Ａをこの順に積層した構成を有する。非磁性層Ｓを挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層Ｆ、Ｐのうち、一方の強磁性層Ｐは反強磁性体Ａを用いた交換バイアス等により磁化を固着しておき、もう片方の強磁性層Ｆは外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転できるようにされている。そして、外部磁場によって強磁性層Ｆの磁化のみを回転させ、２つの強磁性層Ｐ、Ｆの磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果を得ることができる（Phys.Rev.B.,Vol.45, 806(1992), J. Appl. Phys. Vol.69, 4774(1991) 等参照）。
【０００８】
ここで、強磁性層Ｆは、「フリー層」、「磁場感受層」あるいは「磁化自由層」などと称され、強磁性層Ｐは、「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称され、非磁性層Ｓは、「スペーサ層」、「界面調節中間層」あるいは「中間層」などと称される場合が多い。
【０００９】
スピンバルブ膜は、低磁場でも、フリー層すなわち強磁性層Ｆの磁化を回転させることができるため、高感度化が可能であり、ＭＲヘッド用のＭＲ素子に適している。
【００１０】
このようなスピンバルブ素子に対しては、磁界による抵抗の変化を検出するために「センス電流」を流す必要がある。
【００１１】
このために、センス電流を膜面に対して平行に流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般に「ＣＩＰ（current-in-plane）」方式と呼ばれている。
【００１２】
ＣＩＰ方式の場合、ＭＲ変化率としては１０〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。また、現在一般に用いられているシールドタイプのＭＲヘッドでは、スピンバルブ素子はほぼ正方形に近い平面形状で用いられるため、ＭＲ素子の抵抗は、ほぼＭＲ膜の面電気抵抗値に等しくなる。このため、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜では、面電気抵抗値を５〜３０Ωにすることにより良好なＳ／Ｎ特性を得ることが可能となる。この程度の抵抗値は、スピンバルブ膜全体の膜厚を薄くすることによって、比較的簡単に実現することができる。これらの利点から、現時点ではＣＩＰ方式のスピンバルブ膜がＭＲヘッド用のＭＲ素子として一般的に用いられている。
【００１３】
しかしながら、１００Gbit/inch^２を超えるような高記録密度での情報再生を実現するためには、ＭＲ変化率として３０％を越える値が必要とされてくると予想される。これに対して、従来のスピンバルブ膜では、ＭＲ変化率として２０％を越える値を得ることは難しい。このため、いかにこのＭＲ変化率を大きくできるかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。
【００１４】
このような観点から、ＭＲ変化率を大きくする目的で、ＣＩＰ−ＳＶ膜においてピン層、フリー層中に酸化物、窒化物、フッ化物、ホウ化物のいずれかからなる「電子反射層」を挿入したスピンバルブが提案されている。
【００１５】
例えば、ピン層とフリー層の層中にそれぞれ電子反射層を挿入する。スピンバルブ膜では、各層の界面で電子散乱が起こると見かけ上の平均自由行程が減少し、ＭＲ変化率が減少してしまう。これに対して、電子反射層ＥＲを設けて電子を反射することにより、電子の見かけ上の平均自由行程を増加させ、大きなＭＲ変化率を得ることが可能となる。
【００１６】
また、この構成では電子を反射することによって、電子が磁性体／非磁性体の界面を通り抜ける確率も上昇するため、見かけ上、人工格子膜における場合と同様な効果を得ることが可能となり、ＭＲ変化率が増大する。
【００１７】
しかし、この構成においても、全ての電子が磁性体／非磁性体の界面を通り抜けるわけではないため、ＭＲ変化率の増大には限界がある。このため上述のような電子反射層を挿入したＣＩＰ−ＳＶ膜においても２０％を越えるような大きなＭＲ変化率と、５〜３０Ωの実用的な抵抗変化量を実現することは実質的に困難となっている。
【００１８】
一方、３０％を越えるような大きなＭＲを得る方法として、磁性体と非磁性対を積層した人工格子において膜面に垂直方向（current perpendicular to plane：ＣＰＰ）にセンス電流を流す形式の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ型人工格子）が提案されている。
【００１９】
ＣＰＰ型人工格子型の磁気抵抗効果素子では、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した人工格子の上下に電極がそれぞれ設けられ、センス電流が膜面に対して垂直方向に流れる。この構成では、センス電流が、磁性層／非磁性層界面を横切る確率が高くなるため、良好な界面効果を得ることが可能となり大きなＭＲ変化率が得られることが知られている。
【００２０】
しかしながら、このようなＣＰＰ人工格子タイプの膜では、極薄の金属膜の積層構造からなる人工格子ＳＬの膜面垂直方向の電気抵抗を測定する必要がある。しかし、この抵抗値は、一般に非常に小さな値になってしまう。したがって、ＣＰＰ型人工格子では、抵抗値をできるだけ大きくすることが重要な技術課題となっている。従来はこの値を大きくするために、人工格子ＳＬと電極ＥＬとの接合面積を可能な限り小さくして、かつ人工格子ＳＬの積層回数を増やし、総膜厚を増やすことが必須となっている。例えば、素子の形状を０．１μｍ×０．１μｍにパターニングした場合、Ｃｏ２ｎｍとＣｕ２ｎｍとを交互に１０回積層すれば、総膜厚は２０ｎｍとなり、１Ω程度の抵抗値を得ることはできる。しかし、これでもまだ十分に大きな抵抗値とは言えず、さらに多層化することが必要とされる。
【００２１】
以上のような理由から、ＣＰＰ型人工格子タイプの膜で、十分なヘッド出力を得、良好なハードディスク用読み取りセンサーとして用いるためには、スピンバルブタイプではなく人工格子タイプにすることが抵抗の面からみると必須であることがわかる。
【００２２】
しかし一方で、ＭＲ素子をＭＲヘッドに用いる場合には、磁性層の磁化の制御を行い、効率よく外部磁場の計測を行えるようにしながら、同時にバルクハウゼンノイズ等が発生しないように、各磁性層を単磁区化することが必要となってくる。しかし、上述したように、ＣＰＰ型のＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層を交互に何度も積層する必要があり、そのような多くの磁性層に対して、個別に磁化の制御を行うことは技術上非常に困難となっている。
【００２３】
また、ＭＲ素子をＭＲヘッドに用いる場合には、小さな信号磁界に対して高感度に磁化が回転し、大きなＭＲ変化率が得られるようにする必要がある。このためには、センシング部分での信号磁束密度を向上させ、同じ磁束密度でもより大きな磁化回転量が得られるようにする必要がある。したがって外部磁場によって磁化が回転する層のトータルのＭst（磁化×膜厚）を小さくする必要がある。しかし、ＣＰＰ型ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層とを交互に何度も積層する必要があり、これによりＭstが増大してしまい、信号磁束に対する感度を向上させることが困難となっている。
【００２４】
このため、ＣＰＰ人工格子タイプの膜では、３０％を越えるＭＲ変化率は期待できるものの磁気ヘッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上不可能となっている。
【００２５】
一方、ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＦｅＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ等を用いたスピンバルブ構造においてＣＰＰ方式を採用することも考えられる。
【００２６】
すなわち、スピンバルブ構造を有する積層膜に対して、膜面に垂直方向にセンス電流を流す。しかし、このようなＣＰＰ型ＳＶ構成において、抵抗値を大きくするためには磁性層の厚さを２０ｎｍ程度まで厚くする必要があり、その場合でも抵抗変化率は、４．２Ｋで３０％程度にとどまり、室温においては更にその半分の１５％程度の抵抗変化率しか得られないだろうことが予測される。
【００２７】
つまり、ＣＰＰ方式のスピンバルブ膜では、１５％程度のＭＲ変化率しか得られず、しかもフリー層のＭｓｔも大きくせざるを得ないため、ヘッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上用いることは困難となっている。
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、ＣＩＰ型のスピンバルブ膜、ＣＰＰ型の人工格子、ＣＰＰ型のスピンバルブなど、様々な構造が提案されている。しかしながら、現在磁気記録密度は、年率６０％以上の上昇を続けており、今後更なる出力増大が求められている。しかし、現時点では１００Gbit/inch^２ を超えるような高記録密度で用いることができる、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量をもち、かつ磁気的に高感度となるようなスピンバルブ膜は実現が困難となっている。
【００２８】
本発明は、このような課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、スピン依存散乱効果を有効的に利用しながら、適当な抵抗値を有し、高感度化が可能で、かつ制御すべき磁性体層の数の少ない、実用的な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記中間層は、抵抗が相対的に高い領域と抵抗が相対的に低い領域とを有する酸化物からなる第１の層を含み、
前記センス電流は、前記第１の層を通過する際に前記抵抗が相対的に低い領域を優先的に流れ
前記中間層は、非磁性金属からなる第２の層をさらに含み、前記第２の層の膜厚は、１ナノメータ以下であることを特徴とする。
【００２９】
ここで、前記第１の層において、酸素の含有量の２次元的な変動に対応して、前記抵抗が相対的に高い領域と、前記抵抗が相対的に低い領域と、が形成されてなるものとすることができる。
【００３０】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記中間層は、酸化物からなる第１の層を含み、
前記第１の層における酸素の含有量は、２次元的な変動を有し、その含有する酸素の濃度が３５原子パーセント以下の領域と、４０原子パーセント以上の領域と、が設けられたことを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の第３の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記中間層は、酸化物からなる第１の層を含み、
前記第１の層は、膜面に対して平行な方向にみて連続的に形成された層であり、
前記センス電流は、前記第１の層を通過する際にオーミック性を有することを特徴とする。
【００３２】
上記いずれの磁気抵抗効果素子においても、前記センス電流は、前記第１の層を通過する際にオーミック性を有するものとすることができる。
【００３３】
また、前記酸化物は、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、トリウム（Ｔｈ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、プラセオジム（Ｐｒ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルビジウム（Ｒｂ）及び希土類金属よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素の酸化物を主成分とするものとすることができる。
【００３４】
また、前記第１の層は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択されたいずれかの元素を１パーセント以上５０パーセント以下の範囲で含有するものとすることができる。
【００３５】
また、前記第１の層は、実質的に結晶質であるものとすることができる。
【００３６】
また、前記酸化物は、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び希土類金属よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素の酸化物に、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択されたいずれかの元素が１パーセント以上５０パーセント以下の範囲で含有されてなるものとすることができる。
【００３７】
また、前記中間層は、非磁性金属からなる第２の層をさらに含むものとすることができる。
【００３８】
また、前記第２の層の膜厚は、１ナノメータ以下であるものとすることができる。
【００３９】
また、前記非磁性金属は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択されたいずれかであるものとすることができる。
【００４０】
一方、本発明の磁気ヘッドは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００４１】
また、本発明の磁気再生装置は、上記の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００４２】
図１は本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、同図において、１は基板電極、２は下地層、３は反強磁性膜、４は磁化固着層、５Ａ及び５Ｂは界面調節中間層、６は磁化自由層、７は保護層、８は上部電極層、９は酸化物中間層である。すなわち、この素子は、基板電極１と上部電極層９との間でセンス電流Ｉ（同図の矢印方向、または矢印とは反対の方向）が通電されるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子である。
【００４３】
そして、界面調節中間層５Ａ及び５Ｂと、酸化物中間層９は、磁化固着層４と磁化自由層６との磁気的な結合を遮断する役割を有する。
【００４４】
またさらに、酸化物中間層９は、「電流狭窄層」として作用する。すなわち、酸化物中間層９は、センス電流Ｉの電流経路を絞り込むことにより、実効的に素子サイズを小さくして抵抗変化量を大きくするという作用効果を奏する。このような電流狭窄効果は、図２に概念的に例示したように、酸化物中間層９がその膜面内において、抵抗の２次元的な「揺らぎ」を持っていることにより、電流が集中する部分が生じるからである。
【００４５】
図２は、酸化物中間層９が電流狭窄する様子を概念的に表す説明図である。すなわち、酸化物中間層９は、その抵抗値が２次元的に揺らいでおり、抵抗が相対的に高い領域９Ａと、抵抗が相対的に低い領域９Ｂと、を有する。そして、電極からスピンバルブ膜に供給されたセンス電流Ｉは、酸化物中間層９において、抵抗が高い領域９Ａに阻止され、局所的に形成された低抵抗の領域９Ｂを介して流れる。
【００４６】
そして、本発明においては、電流がこのような低抵抗の領域９Ｂを流れるので、酸化物中間層９に関するの電流特性は、あくまで「オーミック性」を維持する。いわゆるＴＭＲ（tunneling magnetoresistance effect）素子の場合、一対の磁性体層の間に絶縁層が設けられ、センス電流は、この絶縁層をトンネリングにより通過する。従ってＴＭＲ素子における絶縁層に対する電流特性は、いわゆる「トンネル特性」を示す。
【００４７】
これに対して、本発明の磁気抵抗効果素子においては、酸化物中間層９の低抵抗の領域をセンス電流が通過する点で、本質的にオーミック性を示し、例えば、電流の温度特性などが大きく異なる。
【００４８】
膜の特性がＴＭＲ的であるか、オーミック性の電流経路によるものかを調べる方法のひとつの方法は、センス電流と磁気抵抗効果の関係を調べることである。すなわち、ＴＭＲの場合、抵抗が低いと容易にブレークダウンを起こすため安定性が得られない。磁気抵抗変化率がセンス電流の増大により減少する傾向が見られた場合、ＴＭＲである可能性が非常に高い。
【００４９】
また、抵抗の温度依存性を調べることでも、区別することができる。すなわち、オーミックな系では、摂氏マイナス２００度程度まで温度を下げると、室温時と比べて抵抗が有意に減少する様子が見られるが、ＴＭＲでは有意に増大する様子が見られる。
【００５０】
さて、本発明の磁気抵抗効果素子における、このような２次元的な「揺らぎ」を実現するためには、必ずしも酸化物中間層９に、低抵抗の領域９Ｂを明確な欠落部として設ける必要はない。むしろ、酸化物中間層９は、形態的に連続であるように形成されていてもよい。なぜなら、このような電流狭窄効果は、明確な金属部分が局所的に存在するよりも、酸化物中間層９において、化合している酸素原子が絶縁相よりも少なかったり多かったりすることで生じる伝導特性によって形成する方が、均質に分散させて形成することが容易だからである。
【００５１】
このような酸化物の濃度揺らぎは断面のナノＥＤＸ分析を行うことで調べることができる。酸素濃度があまりにも大きい領域にあると、抵抗が高くなり磁気ヘッドに適当でなくなるため、酸素濃度３５原子％以下の領域を含むことが望ましい。反対にあまりのも抵抗が低すぎると出力増大の効果が得られないため、４０原子％以上の領域もを含むことが望ましい。濃度域が３５原子％以下の部分と４０原子％以上の部分があれば抵抗調整と磁気抵抗効果増大の両立ができる組成となるが、４０原子％以上の酸素濃度の部分のほうが３５原子％以下の濃度の部分よりも大きいほうが磁気ヘッドとして適当な抵抗に調整しやすい。
【００５２】
つまり、図２に表したものはあくまで概念的な表現であり、同図に表したように高抵抗の領域９Ａと低抵抗の領域９Ｂとが明瞭に区画されている必要はない。むしろ、これら高抵抗の領域９Ａと、低抵抗の領域９Ｂと、はその境界が必ずしも明瞭でなく、組成が連続的に変化しているように形成することができる。
【００５３】
ここで「均質である」とは、０．１μｍ（ミクロン）四方の素子を作成したときに、基本的には特性の「ばらつき」が事実上ないことを意味する。このとき、酸化物中間層９の厚みが３ｎｍ（ナノメータ）以上になると、その膜面内にみた伝導特性の「揺らぎ」が事実上消失し、素子の上下電極間の抵抗が非常に高くなるため、磁気記録装置の磁気抵抗効果素子としては不適切である。
【００５４】
このため、酸化物中間層９の膜厚は、３ｎｍ以下であることが望ましい。さらに、２ｎｍ以下であることがより望ましい。一方、酸化物中間層９の膜厚が０．４ｎｍ以下になると、均質性が失われることと、電流をブロックすべき部分における絶縁性が低下して電流狭窄効果が低下する傾向が見られる。従って、酸化物中間層９の膜厚は、０．４ｎｍ以上であることが望ましい。
【００５５】
また、酸化物中間層９に電流狭窄効果を生ずる「揺らぎ」を与えるために、酸素原子が絶縁相よりも少なかったり多かったりする部分を作る方法としては、酸化されにくい金属層を用いて酸化物中間層９を形成する方法を挙げることができる。具体的には、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），イリジウム（Ｉｒ），オスミウム（Ｏｓ）などから選ばれる元素が１％から５０％含まれている金属層に対して酸化処理を施すことにより、このような「揺らぎ」を有する酸化物中間層９を容易に形成することができる。
【００５６】
酸化物中間層９の母金属としては、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、トリウム（Ｔｈ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、プラセオジム（Ｐｒ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルビジウム（Ｒｂ）、及び希土類金属から選ばれる少なくとも一つを含むことが好ましい。
【００５７】
さらに、上記元素群のうちでも、特に、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び希土類金属の少なくともいずれかの酸化物の場合、結晶質の酸化物を形成しやすいため、アモルファスの酸化物を作りやすいアルミニウム（Ａｌ）やタンタル（Ｔａ）などよりも、酸素原子の欠損や過多が伝導特性に影響を与えやすく、伝導特性の２次元的な「揺らぎ」を作りやすい点で有利である。
結晶質であるかどうかは、ナノ領域の電子線回折でスポット上のパターンや、リング状のパターンが見られれば、結晶質であるといえる。また、ＴＥＭによる像で、格子像を見ることによっても判断できる。すなわち規則的な格子像が見えれば結晶質である。
【００５８】
従って、これらボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び希土類金属の少なくともいずれかの酸化物に、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），イリジウム（Ｉｒ），オスミウム（Ｏｓ）などから選ばれる元素が１％から５０％含まれている層は、酸化物中間層９の材料として非常に適切である。
【００５９】
一方、図１において、界面調節中間層５Ａ、５Ｂは、膜厚が１ｎｍ以下の非磁性金属層であり、その材料としては、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），イリジウム（Ｉｒ），オスミウム（Ｏｓ）などを主として用いることができる。
【００６０】
また、磁化自由層６の材料としては、ニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ）を主成分とする金属磁性体が主として用いることができる。これらは、磁気センサーに用いる際に、感度を高め、バルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を減少させるために、良好な軟磁気特性を持つことが必要であり、この観点から面心立方格子の最密面である結晶軸（１１１）方向に積層されていることが望ましい。しかし、部分的に体心立方格子であったり、六方細密格子やその他の結晶構造を含んでいても良い。
【００６１】
界面調節中間層５Ａ、５Ｂの膜厚が１ｎｍ以上になると、酸化物中間層９において、いったん狭窄された電流が、界面調節中間層５Ａ、５Ｂにおいて広がってしまうため、磁気抵抗効果に寄与する磁性層に到達する前にその狭窄効果が失われてしまう。このため界面調節中間層５Ａ、５Ｂの膜厚は、１ｎｍ以下であることが望ましい。さらに、０．２５ｎｍ以下であることがより望ましい。
【００６２】
一方、界面調節中間層５Ｂを設けないとすると、磁化自由層６が酸化物中間層９の上に直接、形成されることになる。この場合、磁化自由層６の膜成長に悪影響があり、その軟磁気特性を悪化させる虞がある。このため、酸化物中間層９と磁化自由層６との間には、ある程度、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），イリジウム（Ｉｒ），オスミウム（Ｏｓ）などの材料からなる界面調節中間層５Ｂを設けた方がよい。このとき、界面調節中間層５Ｂ層は、膜面内にみて必ずしも連続的な膜である必要はなく、部分的に欠落していても良い。
【００６３】
また、界面調節中間層５Ｂは、素子が完成した状態において、明確な層状を成している必要も必ずしもなく、酸化物中間層９の界面近傍や、磁化自由層６の界面近傍において、これらの層の中に拡散していても良い。界面調節中間層５Ｂは、明確な層状を成していても、あるいは明確な層状を成していなくても、酸化物中間層９と磁化自由層６との界面において１０％以上の、界面調節中間層５Ｂを形成する原子が存在すれば、磁化自由層６の軟磁気特性を悪化させる場合はほとんどない。
【００６４】
これらの元素の存在比率は、ＥＤＸ（energy dispersive x-ray spectroscopy）などによって分析することができる。
【００６５】
一方で、界面調節中間層５Ａは、必ずしも必要ではない。しかし、酸化物中間層９として、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び希土類金属の少なくともいずれかの酸化物に、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），イリジウム（Ｉｒ），オスミウム（Ｏｓ）などから選ばれる元素が１％から５０％含まれている構造を作成するためには、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），イリジウム（Ｉｒ），オスミウム（Ｏｓ）などから選ばれる原子の層を界面調節中間層５Ａとして形成し、その膜厚を調整することで伝導度の２次元的な「揺らぎ」を調整することができる。また、このような界面調節中間層５Ａの機能は、もう一方の界面調節中間層５Ｂにも同時に持たせることができる。
【００６６】
つまり、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），イリジウム（Ｉｒ），オスミウム（Ｏｓ）などの金属は、酸化物中間層９に対して、伝導度の２次元的な「揺らぎ」を与えるために有利な金属である。そして、界面調節中間層５Ａあるいは５Ｂをこれらの金属により形成し、このような界面調節中間層５Ａあるいは５Ｂから、これらの金属を酸化物中間層９に拡散などにより供給することにより、伝導度の２次元的な「揺らぎ」を形成することが容易となる。
【００６７】
また一方で、上記の界面調整中間層に用いられる物質と、酸化物層に用いられる物質との合金からなるターゲットは、伝導度の２次元的な「揺らぎ」を形成するのに有利である。このような合金ターゲットは、非固溶の物質を組み合わせた焼結体でも良い。
【００６８】
また、図３に例示したように、磁化自由層６が磁化固着層４よりも下側（基板側）に形成されているタイプの膜構造においても、上記で述べたのと同様の効果を得ることができる。しかしこのとき、界面調整中間層５Ｂが磁化自由層に与える、軟磁気特性への影響は、図１のように磁化自由層６の方が上側に形成されている場合の構造に比べてはるかに小さいため、酸化物中間層９と磁化自由層６との界面において、界面調節中間層５Ｂを形成する原子が１０％原子以下であっても、磁化自由層６の軟磁気特性を悪化させる場合はほとんどない。
【００６９】
また、これとは別の膜構成として、磁化自由層の上下に磁化固着層が設けられた、いわゆる「デュアルスピンバルブ構造」であっても同様に上記のことが成り立つ。
【００７０】
また、磁化固着層４として、２層以上の磁性体がルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性体により反強磁性的に結合した、いわゆる「シンセティック反強性構造」を設けても良い。
【００７１】
本発明によれば、以上説明したように、独特の構成を有する酸化物中間層９を設けることにより、センス電流を狭窄し、実効的な素子サイズを縮小させて大きな抵抗変化を得ることができる。
【００７２】
その結果として、高感度のＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【００７３】
以下、このような磁気抵抗効果素子の具体例及びそれを応用した実施例について説明する。
【００７４】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例について説明する。
【００７５】
本実施例においては、図１に表した構造の磁気抵抗効果素子を比較例とともに製作した。
【００７６】
すなわち、基板電極１を形成した後、その上に、以下の膜構成のスピンバルブを形成した。
５Ｔａ／２Ｒｕ／１５ＰｔＭｎ／４ＣｏＦｅ／１Ｒｕ／４ＣｏＦｅ／中間層／４ＣｏＦｅ／１Ｃｕ／１０Ｔａ
なおここで、数字はその層の膜厚（ナノメータ）を表す。この構造は、ＤＣマグネトロンスパッタにより形成した。その後、摂氏２７０度で１０時間のアニールを行った。そして、一辺が０．１５ミクロンから３ミクロンの正方形状にパターニングした。さらに、パターニングしたスピンバルブの周りを、アルミナやシリコン酸化物などの絶縁体で埋めた後に上部電極８を形成して、膜面に垂直に電流を流す構造の素子を作成した。
【００７７】
図４は、製作した各資料における中間層の構成と、その特性をまとめた表である。抵抗値および抵抗変化量は、それぞれ１ミクロン四方に相当する大きさの値（ｍΩμｍ^２）に換算して表した。電気特性の測定は、定電流を用い、０．１ｍＡから２０ｍＡ程度の範囲で測定した。抵抗変化量とセンス電流とをかけたものが出力となる。
【００７８】
また、酸化処理は、通常時圧力が３×１０^−６Ｐａ（パスカル）の真空チャンバーを用いて、酸素分圧が１０^−３Ｐａから１０^−２Ｐａ程度の範囲で２００秒程度の暴露を行った。被酸化層は、Ｃｒ−Ｃｕの焼結ターゲットを用いた。
【００７９】
ここで、試料１は比較のために作成した酸化物を形成していないメタルベースの試料である。
【００８０】
また、試料２、３、４、５は、界面調節中間層の膜厚依存性である。酸化層を形成することで抵抗の増大とともに抵抗変化量も大きく増大する。界面調整中間層を厚くすると、抵抗と抵抗変化量が急速に減少していくが、１ｎｍをこえると、抵抗変化量がメタルベースと同等かそれ以下になるため、メリットがまったくなくなってしまう。界面調節中間層がなくなると、磁化自由層の軟磁気特性が失われると同時に、安定した膜質が得られにくくなり、特性の一定な素子を得ることが難しい。
【００８１】
また、試料６、７、８、９は、酸化物層の膜厚依存性である。抵抗が大きくなるに従い抵抗変化量も増大するが、抵抗が１０００ｍΩμｍ^２を大きく超えると、０．１μｍから０．２μｍのトラック幅に対応するヘッドに加工した際に、素子抵抗が大きくなりすぎて発熱等の問題が起きるため、抵抗としては１０００ｍΩμｍ^２以下であることが望ましい。
【００８２】
また、試料１０、１１、１２は、被酸化Ｃｕ−Ｃｒ層の濃度の違いによる特性の依存性である。Ｃｒ高濃度側の組成で効率よく抵抗変化量を増大させることができるが、低濃度側でＣｒ５０％以下になると出力増大の効果がほとんどなくなる。
【００８３】
試料１〜１２の中では、試料２が抵抗の点でも抵抗変化量の点でもヘッド作成に最も適した膜特性であった。
【００８４】
また、Ｃｕ_１０Ａｌ_９０の組成の被酸化膜厚依存性についても調べた結果、同様の効果が得られることがわかった。しかしながら、最適被酸化層膜厚が薄膜側にずれる傾向があるため、膜厚制御が難しくなる。同時に素子による特性のばらつくが若干出やすい傾向になる。
【００８５】
またさらに、界面調節中間層の材料と、被酸化層の材料との依存性についても調べた結果、本願明細書において列挙した全ての材料系において、ある程度の効果が得られた。また、界面調節中間層として、Ａｇ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔでも効果は見られた。また、被酸化層として本願明細書に列挙した物質のいずれにおいても、効果が得られることを確認した。
【００８６】
また、試料２、３の断面ＴＥＭを観察すると、膜面に対して平行な方向にみて、「切れ目」のない連続的な酸化物が形成されていた。これらの断面を酸化物層の膜面に対して平行な方向に沿って１ｎｍごとにＥＤＸ分析を行うと、酸素濃度が５％から５０％の分布が見られた。つまり、２次元的な変動が見られた。試料６について同様の観察を行うと、酸化物層が不連続になっており、酸素濃度も０％から５％の範囲であった。これは抵抗が低すぎて出力に対する効果があまりないことと対応している。
【００８７】
また試料６について、センス電流を変えて、出力電圧５０ｍＶの範囲まで測定を行ったところ、抵抗変化率はすべてのセンス電流で実質的に同じ値となった。これはＴＭＲが同様の実験で抵抗変化率において数％の現象を示すことと大きく異なる点である。
【００８８】
また、ここでは界面調節中間層は酸化物中間層の上下で同じ膜厚である必要はない。すなわち、上部の界面調節中間層は、磁化自由層の軟磁気特性のために０．１ｎｍ形成する一方で、下部はまったく形成しなくても、磁気抵抗効果の上昇は得られる。しかしながら、抵抗調整の点では、下部にも形成したほうが調整が容易である。
また、これらの構造を上下反転させた構造でも同様の磁気抵抗効果向上の効果が得られた。
【００８９】
以上、具体例を参照しつつ詳述したように、界面調節中間層厚と、酸化層厚とを調整することで、磁気ヘッドに最適な抵抗と磁気抵抗効果を得ることができることがわかった。
【００９０】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、磁気ヘッドとして用いることができるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の具体例を挙げて説明する。
【００９１】
図５及び図６は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。すなわち、これらの図は、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を表し、図５は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面Ｐに対して略平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。また、図６は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【００９２】
図５及び図６に例示した磁気抵抗効果素子は、ハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有している素子であり、磁気抵抗効果膜１４の上下には、下部電極１２と上部電極２０とがそれぞれ設けられ、また、図５において、磁気抵抗効果膜１４の両側の側面には、バイアス磁界印加膜１６と絶縁膜１８とが積層して設けられている。さらに、図６に例示したように、磁気抵抗効果膜４の媒体対向面には、保護層３０が設けられている。
【００９３】
磁気抵抗効果膜１４は、図１及び図２を参照しつつ前述した、本発明の実施の形態にかかる構造を有する。すなわち、導電度の２次元的な「揺らぎ」を有する酸化物中間層が設けられ、ＣＰＰ型の通電により大きな抵抗変化が得られる。
【００９４】
磁気抵抗効果膜１４に対するセンス電流は、その上下に配置された電極１２、２０によって矢印Ａで示したように、膜面に対して略垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１６、１６により、磁気抵抗効果膜１４にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１４のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
【００９５】
本発明によれば、磁気抵抗効果膜１４として、導電度の２次元的な「揺らぎ」を有する酸化物中間層を設けるこにとより、ＭＲ変化率が向上する。その結果として、磁気抵抗効果素子の感度を顕著に改善することが可能となり、例えば、磁気ヘッドに応用した場合に、高感度の磁気再生が可能となる。
【００９６】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。
【００９７】
すなわち、図１乃至図６に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００９８】
図７は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【００９９】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１００】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【０１０１】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１０２】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１０３】
図８は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図６に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１０４】
本発明によれば、図１乃至図６に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
【０１０５】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、図１乃至図６に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子を用いて、例えば、メモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。
【０１０６】
図９は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【０１０７】
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。
【０１０８】
ビット情報を書き込むときは、特定の書込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１０９】
図１０は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子３２１とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子３２１以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。
【０１１０】
書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１１１】
図１１は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。また、図１２は、図１１のＡ−Ａ’線断面図である。
【０１１２】
すなわち、これらの図に表した構造は、図９に例示した磁気メモリに含まれるひとつのメモリセルに対応する。つまり、ランダムアクセスメモリとして動作する磁気メモリの１ビット部分のメモリセルである。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０１１３】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子３２１と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子３２１は、図１〜図６に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子であり、ＧＭＲ効果を有し、且つ大きな磁気抵抗効果を発現する素子である。
【０１１４】
ビット情報読み出しの際には磁気抵抗効果素子３２１にセンス電流を流してその抵抗変化を検出すればよい。また、磁気抵抗効果素子の磁化自由層を磁気記録層として作用させることができる。
【０１１５】
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子３２１と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。゜
また、磁気抵抗効果素子３２１の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２と略直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【０１１６】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子３２１に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０１１７】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子３２１の抵抗値または抵抗値の変化を測定することにより行われる。
【０１１８】
本具体例の磁気メモリは、図１〜図６に関して前述したような磁気抵抗効果素子を用いることにより、大きな抵抗変化が得られるため、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みが確保され、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１１９】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。
【０１２０】
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０１２１】
また、本発明は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０１２３】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶再生装置及び磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【０１２４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、導電度の２次元的な「揺らぎ」を有する酸化物中間層を設けることにより、電流狭窄効果が得られ、ＣＰＰ型の通電により大きな抵抗変化が得られる。
【０１２５】
その結果として、高感度の磁気検出を安定して得られ、高い記録密度でも高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置や、高集積な磁気メモリなどを提供することが可能となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図２】酸化物中間層９が電流狭窄する様子を概念的に表す説明図である。
【図３】磁化自由層６が磁化固着層４よりも下側（基板側）に形成されているタイプの膜構造を表す模式図である。
【図４】実施例において製作した各資料における中間層の構成と、その特性をまとめた表である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。
【図７】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図８】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図９】本発明の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【図１０】本発明の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。
【図１１】本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ’線断面図である。
【図１３】スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。
【符号の説明】
１ 基板電極
２ 下地層
３ 反強磁性膜
４ 磁化固着層
５Ａ、５Ｂ 界面調節中間層
６ 磁化自由層
７ 保護層
８ 上部電極層
９ 酸化物中間層
１２ 下部電極
１４ 磁気抵抗効果膜
１６ ハード膜
１８ パッシベーション膜
２０ 上部電極
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
１６５ 図中
２００ 媒体ディスク
２００ 記録用媒体ディスク
２００ｎｍ 約
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
３２２ ビット線
３２２ 配線
３２３ ワード線
３２３ 配線
３２４ 下部電極
３２６ ビア
３２８ 配線
３３０ スイッチングトランジスタ
３３０ トランジスタ
３３２ ゲート
３３２ ワード線
３３４ ビット線
３３４ ワード線
３３４ 配線
３５０ 列デコーダ
３５１ 行デコーダ
３５２ センスアンプ
３６０ デコーダ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic head, and a magnetic reproducing apparatus. More specifically, the present invention relates to a magnetoresistive effect element having a structure in which a sense current flows in a direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive effect film. The present invention relates to a magnetic head and a magnetic reproducing apparatus.
[0002]
[Prior art]
In certain types of ferromagnetic materials, a phenomenon is known in which the electrical resistance changes according to the strength of the external magnetic field, which is called the “magnetoresistance effect”. This effect can be used to detect an external magnetic field, and such a magnetic field detection element is called a “magnetoresistance effect element (hereinafter also referred to as“ MR element ”).
[0003]
Industrially, such an MR element is used for reading information stored in a magnetic recording medium in a magnetic recording / reproducing apparatus using a magnetic recording medium such as a hard disk or a magnetic tape (IEEE MAG-7). 150 (1971), etc.), such a magnetic head is called an “MR head”.
[0004]
Incidentally, in recent years, in magnetic recording / reproducing apparatuses in which these MR elements are used, particularly hard disk apparatuses, the magnetic recording density has been increased, and the size of one bit has been reduced, and the leakage magnetic flux from the bit, that is, The amount of signal magnetic field is decreasing. For this reason, it is indispensable for reading information written on a magnetic medium to produce a high-sensitivity and high S / N ratio MR element that can obtain a large resistance change rate even with a lower magnetic field. It is an important basic technology for improving density.
[0005]
Here, “high sensitivity” means that the resistance change amount (Ω) per unit magnetic field (Oe) is large, and an MR element having a larger MR change amount and more excellent in soft magnetic characteristics. High sensitivity. In order to realize a high S / N ratio, it is important to reduce thermal noise as much as possible. For this reason, it is not preferable that the element resistance itself be too large, and when used as a hard disk reading sensor, the element resistance should be about 5Ω to 30Ω in order to achieve a good S / N ratio. It is rare.
[0006]
Under such circumstances, it is now common to use a spin-valve film capable of obtaining a large MR change rate as an MR element used in the hard disk MR head.
[0007]
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of a spin valve film. That is, the spin valve film 100 has a configuration in which a ferromagnetic layer F, a nonmagnetic layer S, a ferromagnetic layer P, and an antiferromagnetic layer A are stacked in this order. Of the two ferromagnetic layers F and P that are in a magnetically uncoupled state with the nonmagnetic layer S interposed therebetween, one of the ferromagnetic layers P is fixed in magnetization by an exchange bias using an antiferromagnetic material A or the like. The other ferromagnetic layer F can be easily rotated by an external magnetic field (signal magnetic field or the like). Then, only the magnetization of the ferromagnetic layer F is rotated by an external magnetic field, and the relative angle between the magnetization directions of the two ferromagnetic layers P and F is changed, thereby obtaining a large magnetoresistance effect (Phys. Rev. B., Vol. 45, 806 (1992), J. Appl. Phys. Vol. 69, 4774 (1991) etc.).
[0008]
Here, the ferromagnetic layer F is referred to as “free layer”, “magnetic field sensitive layer” or “magnetization free layer”, and the ferromagnetic layer P is referred to as “pinned layer” or “magnetization pinned layer”. The nonmagnetic layer S is often referred to as a “spacer layer”, “interface adjusting intermediate layer”, or “intermediate layer”.
[0009]
Since the spin valve film can rotate the magnetization of the free layer, that is, the ferromagnetic layer F even in a low magnetic field, high sensitivity can be achieved, and it is suitable for an MR element for an MR head.
[0010]
For such a spin valve element, it is necessary to pass a “sense current” in order to detect a change in resistance due to a magnetic field.
[0011]
For this purpose, a method is generally used in which a sense current is allowed to flow parallel to the film surface and the resistance in the direction parallel to the film surface is measured. This method is generally called a “CIP (current-in-plane)” method.
[0012]
In the case of the CIP method, an MR change rate of about 10 to 20% can be obtained. Further, in a shield type MR head that is generally used at present, the spin valve element is used in a plane shape that is almost square, so that the resistance of the MR element is substantially equal to the surface electrical resistance value of the MR film. Therefore, in the CIP type spin valve film, it is possible to obtain good S / N characteristics by setting the surface electric resistance value to 5 to 30Ω. Such a resistance value can be realized relatively easily by reducing the film thickness of the entire spin valve film. Because of these advantages, at present, a CIP type spin valve film is generally used as an MR element for an MR head.
[0013]
However, 100Gbit / inch²In order to realize information reproduction at a high recording density exceeding 1, it is expected that a value exceeding 30% will be required as the MR change rate. On the other hand, with the conventional spin valve film, it is difficult to obtain a value exceeding 20% as the MR change rate. For this reason, how to increase the MR change rate is a major technical issue for further improving the recording density.
[0014]
From this point of view, in order to increase the MR ratio, an “electron reflecting layer” made of oxide, nitride, fluoride, or boride is inserted into the pinned layer or free layer in the CIP-SV film. A spin valve has been proposed.
[0015]
For example, an electron reflecting layer is inserted into each of the pinned layer and the free layer. In the spin valve film, when electron scattering occurs at the interface of each layer, the apparent mean free path decreases and the MR change rate decreases. On the other hand, by providing the electron reflection layer ER to reflect electrons, the apparent mean free path of electrons can be increased and a large MR change rate can be obtained.
[0016]
Also, with this configuration, since the probability of electrons passing through the magnetic / non-magnetic interface increases by reflecting the electrons, it is possible to obtain the same effect as in the case of an artificial lattice film. The rate of change increases.
[0017]
However, even in this configuration, not all electrons pass through the magnetic / nonmagnetic interface, so there is a limit to increasing the MR ratio. For this reason, it is substantially difficult to realize a large MR change rate exceeding 20% and a practical resistance change amount of 5 to 30Ω even in the CIP-SV film having the electron reflection layer as described above. It has become.
[0018]
On the other hand, as a method for obtaining a large MR exceeding 30%, a magnetoresistive effect of flowing a sense current in a direction perpendicular to the film surface (CPP) in an artificial lattice in which a magnetic material and a nonmagnetic pair are laminated. An element (hereinafter referred to as a CPP type artificial lattice) has been proposed.
[0019]
In the CPP type artificial lattice type magnetoresistive effect element, electrodes are respectively provided above and below an artificial lattice in which ferromagnetic layers and nonmagnetic layers are alternately stacked, and a sense current flows in a direction perpendicular to the film surface. In this configuration, it is known that the probability that the sense current crosses the magnetic layer / nonmagnetic layer interface is high, so that a good interface effect can be obtained and a large MR ratio can be obtained.
[0020]
However, in such a CPP artificial lattice type film, it is necessary to measure the electric resistance in the direction perpendicular to the film surface of the artificial lattice SL having a laminated structure of ultrathin metal films. However, this resistance value is generally very small. Therefore, in the CPP type artificial lattice, it is an important technical problem to increase the resistance value as much as possible. Conventionally, in order to increase this value, it is essential to reduce the junction area between the artificial lattice SL and the electrode EL as much as possible, increase the number of stacks of the artificial lattice SL, and increase the total film thickness. . For example, when the element shape is patterned to 0.1 μm × 0.1 μm, if Co2 nm and Cu2 nm are alternately stacked 10 times, the total film thickness becomes 20 nm, and a resistance value of about 1Ω can be obtained. However, this is still not a sufficiently large resistance value, and it is necessary to further increase the number of layers.
[0021]
For the above reasons, in order to obtain a sufficient head output with a CPP type artificial lattice type film and to use it as a good hard disk reading sensor, it is necessary to use an artificial lattice type instead of a spin valve type. From the point of view, it can be seen that it is essential.
[0022]
However, on the other hand, when the MR element is used for an MR head, each magnetic layer is controlled so that Barkhausen noise or the like is not generated at the same time while controlling the magnetization of the magnetic layer so that an external magnetic field can be measured efficiently. It becomes necessary to make a single magnetic domain. However, as described above, in order to obtain a resistance value in a CPP type MR element, it is necessary to alternately laminate a magnetic layer and a non-magnetic layer several times. It is technically difficult to control the magnetization.
[0023]
When an MR element is used for an MR head, it is necessary to rotate the magnetization with high sensitivity to a small signal magnetic field so that a large MR change rate can be obtained. For this purpose, it is necessary to improve the signal magnetic flux density in the sensing portion so that a larger amount of magnetization rotation can be obtained even with the same magnetic flux density. Therefore, it is necessary to reduce the total Mst (magnetization × film thickness) of the layer whose magnetization is rotated by the external magnetic field. However, in the CPP type MR element, it is necessary to alternately laminate the magnetic layer and the nonmagnetic layer several times in order to increase the resistance value, which increases Mst and improves the sensitivity to the signal magnetic flux. It has become difficult.
[0024]
For this reason, although an MR change rate exceeding 30% can be expected with a CPP artificial lattice type film, it is difficult to achieve high sensitivity for use as an MR sensor for a magnetic head, and is substantially impossible. .
[0025]
On the other hand, it is conceivable to adopt the CPP method in a spin valve structure using FeMn / NiFe / Cu / NiFe, FeMn / CoFe / Cu / CoFe, or the like.
[0026]
That is, a sense current is passed in a direction perpendicular to the film surface with respect to the laminated film having the spin valve structure. However, in such a CPP type SV configuration, in order to increase the resistance value, it is necessary to increase the thickness of the magnetic layer to about 20 nm. Even in this case, the resistance change rate is about 30% at 4.2K. It is predicted that only a resistance change rate of about 15%, which is half of that, will be obtained at room temperature.
[0027]
In other words, with a CPP-type spin valve film, only an MR change rate of about 15% can be obtained, and the Mst of the free layer must be increased. Therefore, it is difficult to achieve high sensitivity for use as an MR sensor for a head. Therefore, it is difficult to use it substantially.
[Problems to be solved by the invention]
As described above, various structures such as a CIP type spin valve film, a CPP type artificial lattice, and a CPP type spin valve have been proposed. However, the magnetic recording density continues to increase at an annual rate of 60% or more, and further increase in output is required in the future. However, at the moment, 100Gbit / inch² It is difficult to realize a spin valve film that has an appropriate resistance value, a large MR change amount, and a magnetically high sensitivity that can be used at a high recording density exceeding 1.
[0028]
  The present invention has been made on the basis of recognition of such a problem, and its purpose is to have an appropriate resistance value while effectively utilizing the spin-dependent scattering effect, and to achieve high sensitivity. Another object of the present invention is to provide a practical magnetoresistive element having a small number of magnetic layers to be controlled, a magnetic head and a magnetic reproducing apparatus using the same.
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the first magnetoresistance effect element of the present invention comprises:
  A magnetization fixed layer including a first ferromagnetic film in which the magnetization direction is substantially fixed in one direction, and a magnetization free layer including a second ferromagnetic film in which the magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field; A magnetoresistive film having an intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer;
  A pair of electrodes electrically connected to the magnetoresistive film in order to pass a sense current in a direction substantially perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film;
  With
  The intermediate layer includes a first layer made of an oxide having a region having a relatively high resistance and a region having a relatively low resistance,
  The sense current preferentially flows in a region where the resistance is relatively low when passing through the first layer.
  The intermediate layer further includes a second layer made of a nonmagnetic metal, and the film thickness of the second layer is 1 nanometer or less.
[0029]
Here, in the first layer, a region having a relatively high resistance and a region having a relatively low resistance are formed in response to a two-dimensional variation in the oxygen content. Can be.
[0030]
The second magnetoresistance effect element of the present invention is
A magnetization fixed layer including a first ferromagnetic film in which the magnetization direction is substantially fixed in one direction, and a magnetization free layer including a second ferromagnetic film in which the magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field; A magnetoresistive film having an intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer;
A pair of electrodes electrically connected to the magnetoresistive film in order to pass a sense current in a direction substantially perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film;
With
The intermediate layer includes a first layer made of an oxide,
The oxygen content in the first layer has a two-dimensional variation, and a region where the concentration of oxygen contained is 35 atomic percent or less and a region where 40 atomic percent or more is provided are provided. Features.
[0031]
  The third magnetoresistive element of the present invention is
A magnetization fixed layer including a first ferromagnetic film in which the magnetization direction is substantially fixed in one direction, and a magnetization free layer including a second ferromagnetic film in which the magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field; A magnetoresistive film having an intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer;
  A pair of electrodes electrically connected to the magnetoresistive film in order to pass a sense current in a direction substantially perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film;
  With
  The intermediate layer includes a first layer made of an oxide,
  The first layer is a layer formed continuously in a direction parallel to the film surface,
  The sense current has an ohmic property when passing through the first layer.
[0032]
In any of the above magnetoresistive effect elements, the sense current may have ohmic characteristics when passing through the first layer.
[0033]
The oxide includes boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb), aluminum (Al), molybdenum (Mo), phosphorus (P ), Vanadium (V), arsenic (As), antimony (Sb), zirconium (Zr), titanium (Ti), zinc (Zn), lead (Pb), thorium (Th), beryllium (Be), cadmium (Cd) ), Scandium (Sc), lanthanum (La), yttrium (Y), praseodymium (Pr), chromium (Cr), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), rhodium (Rh), palladium (Pd) ), Magnesium (Mg), lithium (Li), barium (Ba), calcium (Ca), strontium (Sr), manganese (Mn), iron Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), oxides of rubidium (Rb) and at least one element selected from the group consisting of rare earth metals can be made as a main component.
[0034]
The first layer may be selected from the group consisting of copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), and osmium (Os). Any element can be contained in the range of 1 percent to 50 percent.
[0035]
The first layer may be substantially crystalline.
[0036]
The oxide includes boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), phosphorus (P), vanadium (V), antimony (Sb). ), Zirconium (Zr), titanium (Ti), zinc (Zn), lead (Pb), chromium (Cr), tin (Sn), gallium (Ga), iron (Fe), cobalt (Co), and rare earth metals An oxide of at least one element selected from the group consisting of copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), and osmium (Os) ), Any element selected from the group consisting of 1) to 50% may be included.
[0037]
The intermediate layer may further include a second layer made of a nonmagnetic metal.
[0038]
The film thickness of the second layer may be 1 nanometer or less.
[0039]
The nonmagnetic metal may be selected from the group consisting of copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), and osmium (Os). Can be.
[0040]
On the other hand, a magnetic head according to the present invention includes any one of the above magnetoresistive elements.
[0041]
According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic reproducing apparatus comprising the above-described magnetic head, wherein information recorded magnetically on a magnetic recording medium can be read.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0042]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention. That is, in the figure, 1 is a substrate electrode, 2 is an underlayer, 3 is an antiferromagnetic film, 4 is a magnetization fixed layer, 5A and 5B are interface adjusting intermediate layers, 6 is a magnetization free layer, 7 is a protective layer, 8 Is an upper electrode layer, and 9 is an oxide intermediate layer. That is, this element is a CPP type magnetoresistive element in which a sense current I (in the direction of the arrow in the figure, or the direction opposite to the arrow) is passed between the substrate electrode 1 and the upper electrode layer 9.
[0043]
The interface adjusting intermediate layers 5A and 5B and the oxide intermediate layer 9 have a role of blocking the magnetic coupling between the magnetization fixed layer 4 and the magnetization free layer 6.
[0044]
Furthermore, the oxide intermediate layer 9 functions as a “current confinement layer”. That is, the oxide intermediate layer 9 has an effect of effectively reducing the element size and increasing the resistance change amount by narrowing the current path of the sense current I. Such a current confinement effect is caused by the fact that the oxide intermediate layer 9 has a two-dimensional “fluctuation” of resistance in the film surface, as shown conceptually in FIG. This is because a part to be generated occurs.
[0045]
FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing how the oxide intermediate layer 9 is current constricted. That is, the oxide intermediate layer 9 has a resistance value that fluctuates two-dimensionally, and includes a region 9A having a relatively high resistance and a region 9B having a relatively low resistance. The sense current I supplied from the electrode to the spin valve film is blocked by the high resistance region 9A in the oxide intermediate layer 9 and flows through the locally formed low resistance region 9B.
[0046]
In the present invention, since the current flows through such a low resistance region 9B, the current characteristic regarding the oxide intermediate layer 9 maintains “ohmic” to the last. In the case of a so-called TMR (tunneling magnetoresistance effect) element, an insulating layer is provided between a pair of magnetic layers, and sense current passes through the insulating layer by tunneling. Therefore, the current characteristic with respect to the insulating layer in the TMR element shows a so-called “tunnel characteristic”.
[0047]
On the other hand, in the magnetoresistive effect element of the present invention, the sense current passes through the low resistance region of the oxide intermediate layer 9 and essentially exhibits ohmic characteristics. to differ greatly.
[0048]
One method for investigating whether the film characteristics are TMR-like or ohmic current paths is to examine the relationship between the sense current and the magnetoresistive effect. That is, in the case of TMR, if the resistance is low, breakdown is easily caused and stability cannot be obtained. If the magnetoresistance change rate tends to decrease due to an increase in the sense current, the possibility of TMR is very high.
[0049]
It can also be distinguished by examining the temperature dependence of resistance. That is, in the ohmic system, when the temperature is lowered to about minus 200 degrees Celsius, the resistance is significantly decreased as compared to the room temperature, but the TMR is significantly increased.
[0050]
In order to realize such a two-dimensional “fluctuation” in the magnetoresistive effect element of the present invention, it is not always necessary to provide the oxide intermediate layer 9 with a low resistance region 9B as a clear missing portion. Absent. Rather, the oxide intermediate layer 9 may be formed so as to be morphologically continuous. This is because such a current confinement effect is caused by the fact that there are fewer or more combined oxygen atoms in the oxide intermediate layer 9 than in the insulating phase, rather than there being a clear metal portion locally. This is because it is easier to form the film by uniformly dispersing it according to the characteristics.
[0051]
Such oxide concentration fluctuations can be examined by performing nano-EDX analysis of the cross section. If the oxygen concentration is in an excessively high region, the resistance becomes high and becomes unsuitable for the magnetic head. Therefore, it is desirable to include a region having an oxygen concentration of 35 atomic% or less. On the other hand, if the resistance is too low, the effect of increasing the output cannot be obtained. Therefore, it is desirable to include a region of 40 atomic% or more. If the concentration range is 35 atomic percent or less and 40 atomic percent or more, the composition can achieve both resistance adjustment and increased magnetoresistance effect, but the oxygen concentration portion of 40 atomic percent or more is 35 atomic percent or less. When the density is higher than the density portion, it is easy to adjust the resistance to an appropriate value for the magnetic head.
[0052]
That is, what is shown in FIG. 2 is merely a conceptual expression, and the high resistance region 9A and the low resistance region 9B do not need to be clearly partitioned as shown in FIG. Rather, the high resistance region 9A and the low resistance region 9B can be formed such that the boundary is not always clear and the composition changes continuously.
[0053]
Here, “homogeneous” means that when a 0.1 μm (micron) square element is formed, there is basically no “variation” in characteristics. At this time, if the thickness of the oxide intermediate layer 9 is 3 nm (nanometer) or more, the “fluctuation” of the conduction characteristics seen in the film surface is virtually lost, and the resistance between the upper and lower electrodes of the element becomes very high. Inappropriate as a magnetoresistive element of a magnetic recording apparatus.
[0054]
Therefore, the thickness of the oxide intermediate layer 9 is desirably 3 nm or less. Furthermore, it is more desirable that it is 2 nm or less. On the other hand, when the film thickness of the oxide intermediate layer 9 is 0.4 nm or less, homogeneity is lost, and the insulating property in the portion where the current should be blocked tends to decrease, and the current confinement effect tends to decrease. Therefore, the thickness of the oxide intermediate layer 9 is desirably 0.4 nm or more.
[0055]
Further, in order to give “fluctuation” that causes a current confinement effect to the oxide intermediate layer 9, as a method of forming a portion where oxygen atoms are less or more than the insulating phase, an oxide layer is used by using a metal layer that is not easily oxidized. A method of forming the intermediate layer 9 can be mentioned. Specifically, the element selected from copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), osmium (Os), etc. is 1% to 50%. By subjecting the included metal layer to an oxidation treatment, the oxide intermediate layer 9 having such “fluctuation” can be easily formed.
[0056]
As the base metal of the oxide intermediate layer 9, boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb), aluminum (Al), molybdenum (Mo) , Phosphorus (P), vanadium (V), arsenic (As), antimony (Sb), zirconium (Zr), titanium (Ti), zinc (Zn), lead (Pb), thorium (Th), beryllium (Be) , Cadmium (Cd), scandium (Sc), lanthanum (La), yttrium (Y), praseodymium (Pr), chromium (Cr), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), rhodium (Rh) , Palladium (Pd), magnesium (Mg), lithium (Li), barium (Ba), calcium (Ca), strontium (Sr), manganese Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), rubidium (Rb), and preferably contains at least one selected from rare earth metals.
[0057]
  Further, among the above element groups, boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), phosphorus (P), vanadium (V), among others. Antimony (Sb), Zirconium (Zr), Titanium (Ti), Zinc (Zn), Lead (Pb), Chromium (Cr), Tin (Sn), Gallium (Ga), Iron (Fe), Cobalt (Co) In the case of an oxide of at least one of rare earth metals, a crystalline oxide is easily formed. Therefore, oxygen atom deficiency or more than aluminum (Al), tantalum (Ta), etc. This is advantageous in that the excess tends to affect the conduction characteristics, and two-dimensional “fluctuations” of the conduction characteristics can be easily created.
  Whether it is crystalline or not can be said to be crystalline if a pattern on a spot or a ring-like pattern is observed by electron diffraction in the nano region. The determination can also be made by looking at the lattice image with the TEM image. That is, if a regular lattice image is seen, it is crystalline.
[0058]
Accordingly, boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), phosphorus (P), vanadium (V), antimony (Sb), zirconium ( Zr), titanium (Ti), zinc (Zn), lead (Pb), chromium (Cr), tin (Sn), gallium (Ga), iron (Fe), cobalt (Co), and at least one of rare earth metals 1% to 50% of elements selected from copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), osmium (Os), etc. The included layers are very suitable as materials for the oxide intermediate layer 9.
[0059]
On the other hand, in FIG. 1, the interface adjusting intermediate layers 5A and 5B are non-magnetic metal layers having a film thickness of 1 nm or less. The materials thereof are copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum ( Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), osmium (Os) and the like can be mainly used.
[0060]
Further, as the material of the magnetization free layer 6, a metal magnetic material mainly composed of nickel (Ni), iron (Fe), and cobalt (Co) can be used. They must have good soft magnetic properties in order to increase sensitivity and reduce Barkhausen noise when used in magnetic sensors. It is desirable to be laminated in the crystal axis (111) direction that is a plane. However, it may be partially a body-centered cubic lattice, or may include a hexagonal close-packed lattice or other crystal structures.
[0061]
When the film thickness of the interface adjustment intermediate layers 5A and 5B is 1 nm or more, the current once confined in the oxide intermediate layer 9 spreads in the interface adjustment intermediate layers 5A and 5B, and thus the magnetic property that contributes to the magnetoresistance effect The stenosis effect is lost before reaching the layer. Therefore, the film thickness of the interface adjusting intermediate layers 5A and 5B is desirably 1 nm or less. Furthermore, it is more desirable that it is 0.25 nm or less.
[0062]
On the other hand, if the interface adjusting intermediate layer 5B is not provided, the magnetization free layer 6 is formed directly on the oxide intermediate layer 9. In this case, there is an adverse effect on the film growth of the magnetization free layer 6, and the soft magnetic characteristics may be deteriorated. For this reason, between the oxide intermediate layer 9 and the magnetization free layer 6, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir) to some extent. It is better to provide an interface adjusting intermediate layer 5B made of a material such as osmium (Os). At this time, the interface adjusting intermediate layer 5B layer does not necessarily need to be a continuous film as viewed in the film plane, and may be partially missing.
[0063]
Further, the interface adjusting intermediate layer 5B does not necessarily have a clear layer shape in a state where the element is completed, and these interface adjusting intermediate layers 5B are not necessarily in the vicinity of the interface of the oxide intermediate layer 9 or the interface of the magnetization free layer 6. It may be diffused into the layer. Even if the interface adjusting intermediate layer 5B has a clear layer shape or no clear layer shape, the interface adjusting intermediate layer 5B has an interface adjusting amount of 10% or more at the interface between the oxide intermediate layer 9 and the magnetization free layer 6. If there are atoms forming the intermediate layer 5B, the soft magnetic properties of the magnetization free layer 6 are hardly deteriorated.
[0064]
The abundance ratio of these elements can be analyzed by EDX (energy dispersive x-ray spectroscopy) or the like.
[0065]
On the other hand, the interface adjustment intermediate layer 5A is not always necessary. However, as the oxide intermediate layer 9, boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), phosphorus (P), vanadium (V), antimony (Sb), zirconium (Zr), titanium (Ti), zinc (Zn), lead (Pb), chromium (Cr), tin (Sn), gallium (Ga), iron (Fe), cobalt (Co), and An element selected from copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), osmium (Os) and the like as an oxide of at least one rare earth metal In order to create a structure containing 1% to 50%, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), osmium ( Os) A layer of atoms selected from etc. formed as the interfacial adjusted intermediate layer 5A, it is possible to adjust the two-dimensional "fluctuation" of the conductivity by adjusting the film thickness. Further, the function of the interface adjustment intermediate layer 5A can be provided to the other interface adjustment intermediate layer 5B at the same time.
[0066]
That is, metals such as copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), and osmium (Os) It is an advantageous metal for giving a two-dimensional “fluctuation” of conductivity. Then, the interface adjusting intermediate layer 5A or 5B is formed of these metals, and these metals are supplied from the interface adjusting intermediate layer 5A or 5B to the oxide intermediate layer 9 by diffusion or the like. It becomes easy to form a two-dimensional “fluctuation”.
[0067]
On the other hand, a target made of an alloy of the material used for the interface adjustment intermediate layer and the material used for the oxide layer is advantageous for forming a two-dimensional “fluctuation” of conductivity. Such an alloy target may be a sintered body in which non-solid substances are combined.
[0068]
Further, as illustrated in FIG. 3, the same effect as described above can be obtained even in the type of film structure in which the magnetization free layer 6 is formed below (the substrate side) the magnetization pinned layer 4. be able to. However, at this time, the influence of the interface adjustment intermediate layer 5B on the free magnetic layer on the soft magnetic characteristics is much higher than that in the case where the free magnetic layer 6 is formed on the upper side as shown in FIG. In the case where the soft magnetic properties of the magnetization free layer 6 are deteriorated even if the number of atoms forming the interface adjustment intermediate layer 5B is 10% or less at the interface between the oxide intermediate layer 9 and the magnetization free layer 6 because it is small. rare.
[0069]
Further, as a film configuration different from this, the above-mentioned holds true even in a so-called “dual spin valve structure” in which the magnetization fixed layers are provided above and below the magnetization free layer.
[0070]
Further, as the magnetization pinned layer 4, a so-called “synthetic anti-strength structure” in which two or more magnetic materials are antiferromagnetically coupled by a nonmagnetic material such as ruthenium (Ru) may be provided.
[0071]
According to the present invention, as described above, by providing the oxide intermediate layer 9 having a unique configuration, it is possible to narrow the sense current, reduce the effective element size, and obtain a large resistance change. .
[0072]
As a result, a highly sensitive CPP magnetoresistive element can be provided.
[0073]
Hereinafter, a specific example of such a magnetoresistive effect element and an embodiment applying it will be described.
[0074]
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described.
[0075]
In this example, a magnetoresistive effect element having the structure shown in FIG. 1 was manufactured together with a comparative example.
[0076]
That is, after the substrate electrode 1 was formed, a spin valve having the following film configuration was formed thereon.
5Ta / 2Ru / 15PtMn / 4CoFe / 1Ru / 4CoFe / Interlayer / 4CoFe / 1Cu / 10Ta
In addition, a number represents the film thickness (nanometer) of the layer here. This structure was formed by DC magnetron sputtering. Thereafter, annealing was performed at 270 degrees Celsius for 10 hours. And it patterned in the square shape whose one side is 0.15 micron to 3 microns. Further, the upper electrode 8 was formed after the patterned spin valve was filled with an insulator such as alumina or silicon oxide, and an element having a structure in which a current flows perpendicularly to the film surface was produced.
[0077]
FIG. 4 is a table summarizing the structure and characteristics of the intermediate layer in each produced material. Each of the resistance value and the resistance change amount has a value corresponding to one micron square (mΩμm²) And expressed. The electrical characteristics were measured using a constant current in a range of about 0.1 mA to 20 mA. The output is the product of the resistance change amount and the sense current.
[0078]
In addition, in the oxidation treatment, the normal pressure is 3 × 10.^-6Using a vacuum chamber of Pa (Pascal), the oxygen partial pressure is 10^-3Pa to 10^-2Exposure for about 200 seconds was performed in the range of about Pa. As the oxidation target layer, a Cr—Cu sintered target was used.
[0079]
Here, the sample 1 is a metal-based sample that is not formed with an oxide prepared for comparison.
[0080]
Samples 2, 3, 4, and 5 are dependent on the film thickness of the interface adjusting intermediate layer. By forming the oxide layer, the resistance change amount is greatly increased as the resistance is increased. When the interface adjustment intermediate layer is thickened, the resistance and the resistance change amount rapidly decrease. However, when the interface adjustment intermediate layer exceeds 1 nm, the resistance change amount is equal to or less than that of the metal base, and thus there is no merit. When the interface adjusting intermediate layer is eliminated, the soft magnetic characteristics of the magnetization free layer are lost, and at the same time, it is difficult to obtain a stable film quality, and it is difficult to obtain an element with constant characteristics.
[0081]
Samples 6, 7, 8, and 9 are dependent on the thickness of the oxide layer. As the resistance increases, the resistance change also increases, but the resistance is 1000 mΩμm.²When the head is greatly exceeded, when a head corresponding to a track width of 0.1 μm to 0.2 μm is processed, the element resistance becomes too large and problems such as heat generation occur, so the resistance is 1000 mΩμm.²The following is desirable.
[0082]
Samples 10, 11, and 12 have characteristic dependency due to a difference in concentration of the oxidized Cu—Cr layer. Although the resistance change amount can be increased efficiently with the composition on the high Cr concentration side, the effect of increasing the output is almost lost when the Cr concentration is 50% or less on the low concentration side.
[0083]
Among Samples 1 to 12, Sample 2 was the most suitable film characteristic for head preparation in terms of resistance and resistance change.
[0084]
Cu₁₀Al₉₀As a result of examining the dependency of the composition on the thickness of the oxidized film, it was found that the same effect was obtained. However, since the optimum oxidized layer thickness tends to shift to the thin film side, the thickness control becomes difficult. At the same time, the characteristics vary depending on the element, but it tends to be slightly more likely.
[0085]
Furthermore, as a result of examining the dependency between the material of the interface adjusting intermediate layer and the material of the layer to be oxidized, a certain degree of effect was obtained in all the material systems listed in this specification. Moreover, the effect was seen also in Ag, Pd, Os, Ir, and Pt as an interface adjustment intermediate | middle layer. In addition, it was confirmed that any of the substances listed in the specification of the present application as the oxidized layer can obtain the effect.
[0086]
Further, when a cross-sectional TEM of the samples 2 and 3 was observed, a continuous oxide having no “break” was formed in the direction parallel to the film surface. When these sections were subjected to EDX analysis every 1 nm along a direction parallel to the film surface of the oxide layer, a distribution with an oxygen concentration of 5% to 50% was observed. That is, a two-dimensional variation was observed. When the same observation was performed on Sample 6, the oxide layer was discontinuous and the oxygen concentration ranged from 0% to 5%. This corresponds to the fact that the resistance is too low and has little effect on the output.
[0087]
For sample 6, when the sense current was changed and the measurement was performed up to the output voltage range of 50 mV, the resistance change rate was substantially the same for all sense currents. This is very different from the fact that TMR shows a phenomenon of several percent in the resistance change rate in the same experiment.
[0088]
Here, the interface adjusting intermediate layer does not need to have the same thickness above and below the oxide intermediate layer. That is, the upper interface adjusting intermediate layer is formed to have a thickness of 0.1 nm for the soft magnetic characteristics of the magnetization free layer, while the magnetoresistive effect can be increased even if the lower layer is not formed at all. However, in terms of resistance adjustment, adjustment is easier if it is also formed in the lower part.
Further, the same effect of improving the magnetoresistive effect was obtained even when these structures were turned upside down.
[0089]
As described above in detail with reference to specific examples, it has been found that by adjusting the interface adjusting intermediate layer thickness and the oxide layer thickness, it is possible to obtain the optimum resistance and magnetoresistive effect for the magnetic head.
[0090]
(Second embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, a specific example of a CPP type magnetoresistive element that can be used as a magnetic head will be described.
[0091]
5 and 6 are conceptual diagrams schematically showing the main configuration of the magnetoresistive element according to the embodiment of the present invention. That is, these drawings show the state in which the magnetoresistive effect element is incorporated in the magnetic head, and FIG. 5 shows the magnetoresistance in a direction substantially parallel to the medium facing surface P facing the magnetic recording medium (not shown). It is sectional drawing which cut | disconnected the effect element. FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetoresistive effect element cut in a direction perpendicular to the medium facing surface P.
[0092]
The magnetoresistive effect element illustrated in FIGS. 5 and 6 is an element having a hard abutted structure, and a lower electrode 12 and an upper electrode 20 are provided above and below the magnetoresistive effect film 14. In FIG. 5, a bias magnetic field application film 16 and an insulating film 18 are laminated on the side surfaces on both sides of the magnetoresistive effect film 14. Further, as illustrated in FIG. 6, a protective layer 30 is provided on the medium facing surface of the magnetoresistive film 4.
[0093]
The magnetoresistive film 14 has the structure according to the embodiment of the present invention described above with reference to FIGS. 1 and 2. That is, an oxide intermediate layer having a two-dimensional “fluctuation” in conductivity is provided, and a large resistance change can be obtained by CPP-type energization.
[0094]
The sense current for the magnetoresistive film 14 is energized in a direction substantially perpendicular to the film surface as indicated by an arrow A by the electrodes 12 and 20 disposed above and below the magnetoresistive film 14. A bias magnetic field is applied to the magnetoresistive effect film 14 by a pair of bias magnetic field application films 16, 16 provided on the left and right. This bias magnetic field controls the magnetic anisotropy of the free layer of the magnetoresistive effect film 14 to form a single magnetic domain, thereby stabilizing the magnetic domain structure and suppressing Barkhausen noise associated with the domain wall movement. be able to.
[0095]
According to the present invention, the MR ratio is improved by providing an oxide intermediate layer having a two-dimensional “fluctuation” in conductivity as the magnetoresistive film 14. As a result, the sensitivity of the magnetoresistive effect element can be remarkably improved. For example, when applied to a magnetic head, high-sensitivity magnetic reproduction is possible.
[0096]
(Third embodiment)
Next, a magnetic reproducing apparatus equipped with the magnetoresistive effect element of the present invention will be described as a third embodiment of the present invention.
[0097]
That is, the magnetoresistive effect element or the magnetic head of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 6 can be incorporated in a magnetic recording / reproducing integrated magnetic head assembly and mounted on a magnetic recording / reproducing apparatus, for example.
[0098]
FIG. 7 is a main part perspective view illustrating the schematic configuration of such a magnetic recording / reproducing apparatus. That is, the magnetic recording / reproducing apparatus 150 of the present invention is an apparatus using a rotary actuator. In the figure, a recording medium disk 200 is mounted on a spindle 152 and rotated in the direction of arrow A by a motor (not shown) that responds to a control signal from a drive device control unit (not shown). The magnetic recording / reproducing apparatus 150 of the present invention may include a plurality of medium disks 200.
[0099]
A head slider 153 that records and reproduces information stored in the medium disk 200 is attached to the tip of a thin film suspension 154. Here, the head slider 153 has, for example, the magnetoresistive effect element or the magnetic head according to any one of the above-described embodiments mounted near the tip thereof.
[0100]
When the medium disk 200 rotates, the medium facing surface (ABS) of the head slider 153 is held with a predetermined flying height from the surface of the medium disk 200. Alternatively, a so-called “contact traveling type” in which the slider contacts the medium disk 200 may be used.
[0101]
The suspension 154 is connected to one end of an actuator arm 155 having a bobbin portion for holding a drive coil (not shown). A voice coil motor 156, which is a kind of linear motor, is provided at the other end of the actuator arm 155. The voice coil motor 156 is composed of a drive coil (not shown) wound around the bobbin portion of the actuator arm 155, and a magnetic circuit composed of a permanent magnet and a counter yoke arranged so as to sandwich the coil.
[0102]
The actuator arm 155 is held by ball bearings (not shown) provided at two positions above and below the spindle 157, and can be freely rotated and slid by a voice coil motor 156.
[0103]
FIG. 8 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the actuator arm 155 as viewed from the disk side. That is, the magnetic head assembly 160 includes an actuator arm 155 having, for example, a bobbin portion that holds a drive coil, and a suspension 154 is connected to one end of the actuator arm 155.
A head slider 153 including any one of the magnetoresistive elements or the magnetic head described above with reference to FIGS. 1 to 6 is attached to the tip of the suspension 154. The suspension 154 has a lead wire 164 for writing and reading signals, and the lead wire 164 and each electrode of the magnetic head incorporated in the head slider 153 are electrically connected. In the figure, reference numeral 165 denotes an electrode pad of the magnetic head assembly 160.
[0104]
According to the present invention, the information magnetically recorded on the medium disk 200 at a higher recording density than the prior art by including the magnetoresistive effect element or magnetic head of the present invention as described above with reference to FIGS. Can be read reliably.
[0105]
(Fourth embodiment)
Next, a magnetic memory equipped with the magnetoresistive element of the present invention will be described as a fourth embodiment of the present invention. That is, by using the magnetoresistive element of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 6, for example, a magnetic memory such as a random access magnetic memory in which memory cells are arranged in a matrix can be realized.
[0106]
FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the matrix configuration of the magnetic memory of this embodiment.
[0107]
That is, this figure shows a circuit configuration of the embodiment when memory cells are arranged in an array. In order to select one bit in the array, a column decoder 350 and a row decoder 351 are provided, and the switching transistor 330 is turned on by the bit line 334 and the word line 332 to be uniquely selected and detected by the sense amplifier 352. Thereby, the bit information recorded on the magnetic recording layer constituting the magnetoresistive effect element 321 can be read.
[0108]
The bit information is written by a magnetic field generated by supplying a write current to the specific write word line 323 and the bit line 322.
[0109]
FIG. 10 is a conceptual diagram showing another specific example of the matrix configuration of the magnetic memory of this embodiment. That is, in the case of this specific example, the bit lines 322 and the word lines 334 wired in a matrix are selected by the decoders 360 and 361, respectively, and specific memory cells in the array are selected. Each memory cell has a structure in which a magnetoresistive element 321 and a diode D are connected in series. Here, the diode D has a role of preventing the sense current from bypassing in the memory cells other than the selected magnetoresistance effect element 321.
[0110]
Writing is performed by a magnetic field generated by supplying a write current to the specific bit line 322 and the write word line 323, respectively.
[0111]
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a main part of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention. FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 11.
[0112]
That is, the structure shown in these drawings corresponds to one memory cell included in the magnetic memory illustrated in FIG. That is, it is a 1-bit memory cell of a magnetic memory that operates as a random access memory. This memory cell has a memory element portion 311 and an address selection transistor portion 312.
[0113]
The memory element portion 311 includes a magnetoresistive effect element 321 and a pair of wirings 322 and 324 connected thereto. The magnetoresistive effect element 321 is the magnetoresistive effect element of the present invention as described above with reference to FIGS. 1 to 6 and has a GMR effect and exhibits a large magnetoresistive effect.
[0114]
When reading bit information, a sense current may be supplied to the magnetoresistive effect element 321 to detect a change in resistance. In addition, the magnetization free layer of the magnetoresistive element can act as a magnetic recording layer.
[0115]
On the other hand, the selection transistor portion 312 is provided with a transistor 330 connected via a via 326 and a buried wiring 328. The transistor 330 performs a switching operation according to the voltage applied to the gate 332, and controls opening and closing of the current path between the magnetoresistive effect element 321 and the wiring 334.゜
A write wiring 323 is provided below the magnetoresistive element 321 in a direction substantially orthogonal to the wiring 322. These write wirings 322 and 323 can be formed of, for example, aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing any of these.
[0116]
In the memory cell having such a configuration, when writing bit information to the magnetoresistive element 321, a write pulse current is supplied to the wirings 322 and 323, and a combined magnetic field induced by these currents is applied, thereby applying the magnetoresistive element. The magnetization of the recording layer is appropriately reversed.
[0117]
When reading bit information, a sense current is passed through the wiring 322, the magnetoresistive effect element 321 including the magnetic recording layer, and the lower electrode 324, and the resistance value of the magnetoresistive effect element 321 or a change in the resistance value is measured. Is done.
[0118]
The magnetic memory of this example uses the magnetoresistive effect element as described above with reference to FIGS. 1 to 6 so that a large resistance change can be obtained. Therefore, the magnetic domain of the recording layer can be reliably ensured even if the cell size is reduced. Control can ensure reliable writing, and reading can also be performed reliably.
[0119]
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, regarding the specific structure of the magnetoresistive effect film and the shape and material of the electrode, bias application film, insulating film, etc., those skilled in the art can implement the present invention in the same manner by appropriately selecting from a known range. The same effect can be obtained.
[0120]
For example, when applying a magnetoresistive element to a reproducing magnetic head, the detection resolution of the magnetic head can be defined by providing magnetic shields above and below the element.
[0121]
The present invention can be similarly applied not only to the longitudinal magnetic recording system but also to the perpendicular magnetic recording system magnetic head or magnetic reproducing apparatus, and the same effect can be obtained.
[0122]
Furthermore, the magnetic reproducing apparatus of the present invention may be a so-called fixed type having a specific recording medium constantly provided, or a so-called “removable” type in which the recording medium can be replaced.
[0123]
In addition, all magnetoresistive elements, magnetic heads, magnetic storage / reproduction devices, and magnetics that can be implemented by those skilled in the art based on the magnetic head and magnetic storage / reproduction device described above as embodiments of the present invention. Memory is similarly within the scope of the present invention.
[0124]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, by providing an oxide intermediate layer having a two-dimensional “fluctuation” in conductivity, a current confinement effect can be obtained, and a large resistance change can be obtained by energization of the CPP type. It is done.
[0125]
As a result, high-sensitivity magnetic detection can be obtained stably, a magnetic head having high output and high S / N even at high recording density, a magnetic reproducing apparatus equipped with the magnetic head, and a highly integrated magnetic memory are provided. The industrial merit is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a magnetoresistive element of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing how the oxide intermediate layer 9 is current constricted.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a type of film structure in which a magnetization free layer 6 is formed below (substrate side) the magnetization pinned layer 4;
FIG. 4 is a table summarizing the structure and characteristics of an intermediate layer in each material produced in an example.
FIG. 5 is a conceptual diagram schematically showing a main configuration of a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram schematically showing a main configuration of a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view of the essential part illustrating the schematic configuration of the magnetic recording / reproducing apparatus of the present invention.
FIG. 8 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the actuator arm 155 as viewed from the disk side.
FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a matrix configuration of a magnetic memory according to the present invention.
FIG. 10 is a conceptual diagram showing another specific example of the matrix configuration of the magnetic memory of the present invention.
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a magnetic memory according to an embodiment of the present invention.
12 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of a spin valve film.
[Explanation of symbols]
1 Substrate electrode
2 Underlayer
3 Antiferromagnetic film
4 Magnetized pinned layer
5A, 5B Interface control interlayer
6 Magnetized free layer
7 Protective layer
8 Upper electrode layer
9 Oxide intermediate layer
12 Lower electrode
14 Magnetoresistive film
16 Hard film
18 Passivation film
20 Upper electrode
150 Magnetic recording / reproducing apparatus
152 spindle
153 Head slider
154 suspension
155 Actuator arm
156 Voice coil motor
157 spindle
160 Magnetic head assembly
164 Lead wire
165 in the figure
200 media disc
200 Recording media disc
About 200nm
311 Memory element part
312 Address selection transistor part
312 Selection transistor part
321 Magnetoresistive element
322 bit line
322 wiring
323 word line
323 wiring
324 Lower electrode
326 via
328 Wiring
330 Switching transistor
330 transistors
332 gate
332 word line
334 bit line
334 Word line
334 Wiring
350 column decoder
351 row decoder
352 sense amplifier
360 decoder

Claims (14)

磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記中間層は、抵抗が相対的に高い領域と抵抗が相対的に低い領域とを有する酸化物からなる第１の層を含み、
前記センス電流は、前記第１の層を通過する際に前記抵抗が相対的に低い領域を優先的に流れ、
前記中間層は、非磁性金属からなる第２の層をさらに含み、前記第２の層の膜厚は、１ナノメータ以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。A magnetization fixed layer including a first ferromagnetic film in which the magnetization direction is substantially fixed in one direction, and a magnetization free layer including a second ferromagnetic film in which the magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field; A magnetoresistive film having an intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer;
A pair of electrodes electrically connected to the magnetoresistive film in order to pass a sense current in a direction substantially perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film;
With
The intermediate layer includes a first layer made of an oxide having a region having a relatively high resistance and a region having a relatively low resistance,
The sense current preferentially flows in a region where the resistance is relatively low when passing through the first layer,
The intermediate layer further includes a second layer made of a nonmagnetic metal, and the film thickness of the second layer is 1 nanometer or less. 前記第１の層において、酸素の含有量の２次元的な変動に対応して、前記抵抗が相対的に高い領域と、前記抵抗が相対的に低い領域と、が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。  In the first layer, a region having a relatively high resistance and a region having a relatively low resistance are formed corresponding to a two-dimensional variation in the oxygen content. The magnetoresistive effect element according to claim 1. 磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記中間層は、酸化物からなる第１の層を含み、
前記第１の層における酸素の含有量は、２次元的な変動を有し、その含有する酸素の濃度が３５原子パーセント以下の領域と、４０原子パーセント以上の領域と、が設けられたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。A magnetization fixed layer including a first ferromagnetic film in which the magnetization direction is substantially fixed in one direction, and a magnetization free layer including a second ferromagnetic film in which the magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field; A magnetoresistive film having an intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer;
A pair of electrodes electrically connected to the magnetoresistive film in order to pass a sense current in a direction substantially perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film;
With
The intermediate layer includes a first layer made of an oxide,
The oxygen content in the first layer has a two-dimensional variation, and a region where the concentration of oxygen contained is 35 atomic percent or less and a region where 40 atomic percent or more is provided are provided. A magnetoresistive effect element. 磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記中間層は、酸化物からなる第１の層を含み、
前記第１の層は、膜面に対して平行な方向にみて連続的に形成された層であり、
前記センス電流は、前記第１の層を通過する際にオーミック性を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。A magnetization fixed layer including a first ferromagnetic film in which the magnetization direction is substantially fixed in one direction, and a magnetization free layer including a second ferromagnetic film in which the magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field; A magnetoresistive film having an intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer;
A pair of electrodes electrically connected to the magnetoresistive film in order to pass a sense current in a direction substantially perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film;
With
The intermediate layer includes a first layer made of an oxide,
The first layer is a layer formed continuously in a direction parallel to the film surface,
The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the sense current has an ohmic property when passing through the first layer. 前記中間層は、非磁性金属からなる第２の層をさらに含むことを特徴とする請求項３または４に記載の磁気抵抗効果素子。  The magnetoresistive effect element according to claim 3, wherein the intermediate layer further includes a second layer made of a nonmagnetic metal. 前記第２の層の膜厚は、１ナノメータ以下であることを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。  6. The magnetoresistive element according to claim 5, wherein the film thickness of the second layer is 1 nanometer or less. 前記センス電流は、前記第１の層を通過する際にオーミック性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。  The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 3, wherein the sense current has an ohmic property when passing through the first layer. 前記酸化物は、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、トリウム（Ｔｈ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、プラセオジム（Ｐｒ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルビジウム（Ｒｂ）及び希土類金属よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素の酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。  The oxide includes boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb), aluminum (Al), molybdenum (Mo), phosphorus (P), Vanadium (V), arsenic (As), antimony (Sb), zirconium (Zr), titanium (Ti), zinc (Zn), lead (Pb), thorium (Th), beryllium (Be), cadmium (Cd), Scandium (Sc), lanthanum (La), yttrium (Y), praseodymium (Pr), chromium (Cr), tin (Sn), gallium (Ga), indium (In), rhodium (Rh), palladium (Pd), Magnesium (Mg), Lithium (Li), Barium (Ba), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Manganese (Mn), Iron (Fe The main component is an oxide of at least one element selected from the group consisting of cobalt, cobalt, nickel, nickel, rubidium, and rare earth metals. The magnetoresistive effect element as described in any one. 前記第１の層は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択されたいずれかの元素を１パーセント以上５０パーセント以下の範囲で含有することを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果素子。  The first layer is any one selected from the group consisting of copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), and osmium (Os). The magnetoresistive element according to claim 8, wherein the element is contained in a range of 1 percent to 50 percent. 前記第１の層は、実質的に結晶質であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。  The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the first layer is substantially crystalline. 前記酸化物は、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及び希土類金属よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素の酸化物に、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択されたいずれかの元素が１パーセント以上５０パーセント以下の範囲で含有されてなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。  The oxide includes boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), phosphorus (P), vanadium (V), antimony (Sb), Zirconium (Zr), titanium (Ti), zinc (Zn), lead (Pb), chromium (Cr), tin (Sn), gallium (Ga), iron (Fe), cobalt (Co), and rare earth metal An oxide of at least one element selected from the group consisting of copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir) and osmium (Os) The magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 10, wherein any element selected from the group consisting of 1 to 50 percent is contained. 前記非磁性金属は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択されたいずれかであることを特徴とする請求項１、５及び６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。  The nonmagnetic metal is any one selected from the group consisting of copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir) and osmium (Os). The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetoresistive effect element is provided. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。  A magnetic head comprising the magnetoresistive effect element according to claim 1. 請求項１３記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気再生装置。  14. A magnetic reproducing apparatus comprising the magnetic head according to claim 13 and capable of reading information magnetically recorded on a magnetic recording medium.

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